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11月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實驗室劉世勇教授課題組在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-化學(xué)》(Nature Chemistry) 上發(fā)表了題為 “Digital micelles of encoded polymeric amphiphiles for direct sequence reading andex vivolabel-free quantification” 的研究論文。該工作報道了精準(zhǔn)編碼兩親性高分子的合成和在質(zhì)譜測序、數(shù)碼膠束構(gòu)建以及復(fù)雜生物體系中無標(biāo)記定量中的研究。

定量研究聚合物納米粒子的生物分布對于評估納米藥物的診療效果及體內(nèi)命運(yùn)至關(guān)重要。常見的熒光和同位素標(biāo)記技術(shù)主要依賴于化學(xué)修飾，而化學(xué)修飾后可能改變聚合物納米粒子的理化性質(zhì)進(jìn)而影響其生物分布。同時，傳統(tǒng)聚合物由于分子量的寬分布、鏈長不均一、序列不明確等固有特性導(dǎo)致無標(biāo)記定量聚合物極具挑戰(zhàn)性，這些固有的局限性也直接影響聚合物納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化。因此，發(fā)展聚合物納米粒子的精確量化策略對于進(jìn)一步推動納米醫(yī)學(xué)的設(shè)計和轉(zhuǎn)化具有重要意義。

經(jīng)過充分的前期調(diào)研，研究人員設(shè)想如果聚合物能滿足以下要求，則可用質(zhì)譜實現(xiàn)聚合物的精準(zhǔn)定量：1) 聚合物結(jié)構(gòu)精確，具有適當(dāng)?shù)膯我环肿恿?，以避免豐富生物大分子的干擾；2) 易于識別，可實現(xiàn)聚合物序列直讀和無標(biāo)記定量；3)可有效離子化，在復(fù)雜的生物體系中具有高質(zhì)譜檢測靈敏度。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員首先設(shè)計并以模塊化合成策略創(chuàng)制了一系列由光敏感觸發(fā)基元、N-芳基氨基甲酸酯重復(fù)單元和樹枝狀PEG (PEG dendron) 三部分組成的精準(zhǔn)編碼兩親性高分子。MALDI-TOF一級譜的單峰證明了該精準(zhǔn)兩親性高分子具有單一分子量。進(jìn)一步的串聯(lián)質(zhì)譜表明，PEG dendron與堿金屬離子(如鈉離子) 的超分子識別和主鏈中芐氧鍵選擇性斷裂的協(xié)同作用實現(xiàn)了聚合物序列的直讀 (圖1)。

圖 1. 精準(zhǔn)編碼兩親性聚合物的序列直讀。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)這些新型精準(zhǔn)編碼兩親性聚合物可以自組裝成不同形貌的數(shù)碼膠束，其組裝形貌受到聚合物主鏈序列的嚴(yán)格控制，這為探索納米粒子在體內(nèi)的命運(yùn)提供了豐富的軟物質(zhì)納米載體模型 (圖2)。

圖2. 不同序列的精準(zhǔn)編碼兩親性聚合物自組裝成長度可控的數(shù)碼膠束。

基于精準(zhǔn)編碼兩親性聚合物的合成、測序，以及數(shù)碼膠束的成功構(gòu)建，研究人員進(jìn)一步探究了數(shù)碼膠束在生物體系中精準(zhǔn)定量的可能性。首先研究人員通過對照實驗證明了聚合物合理的分子量設(shè)計可規(guī)避生物(大)分子對MALDI質(zhì)譜測試的干擾。隨后將四種典型的數(shù)碼膠束 (一種球狀膠束和三個不同長度的棒狀膠束)等量混合，通過尾靜脈注入大鼠體內(nèi)，在不同的時間點(diǎn)取出主要器官，并對器官進(jìn)行研磨、凍干和萃取操作。基于此，研究人員以無標(biāo)記定量的方式系統(tǒng)研究了不同數(shù)碼膠束在大鼠器官中的生物分布。此外，由于PEG dendron對精準(zhǔn)編碼兩親性聚合物MALDI檢測靈敏的增強(qiáng)作用，研究人員進(jìn)一步對組織切片 (如脾臟切片) 進(jìn)行MALDI成像，并揭示了數(shù)碼膠束在器官中的空間分布 (圖3)。

圖3. 在器官和組織切片水平上對數(shù)碼膠束進(jìn)行識別和無標(biāo)記定量。

本工作為解決聚合物納米粒子的生物分布定量問題提供了全新思路，且PEG dendron增強(qiáng)的MALDI定量和解碼策略可以進(jìn)一步用于多肽/蛋白質(zhì)/DNA和其他天然/合成分子的測序及定量研究。當(dāng)前，該課題組正在基于這一進(jìn)展開展三方面的深入研究：1) 基于數(shù)碼膠束無標(biāo)記定量技術(shù)的蛋白質(zhì)組學(xué)與蛋白冠主動精準(zhǔn)調(diào)控；2) 基于數(shù)碼油墨的無法反向破解的加密打印和信息安全存儲；3)基于該類單鏈選鍵化學(xué)和精準(zhǔn)高分子材料化學(xué)創(chuàng)制單一組分極紫外光刻膠，這一設(shè)想已在中國科大微納研究與制造中心的全力配合下獲原理性驗證。

中國科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士生石強(qiáng)強(qiáng)為該論文第一作者，劉世勇教授為該論文通訊作者。中國科大理化科學(xué)實驗中心質(zhì)譜實驗室為本工作的大分子質(zhì)譜分析與質(zhì)譜成像提供了全方位支持；冷凍電鏡測試由西安交通大學(xué)張彥峰教授和童慧敏博士完成；上海同步輻射光源BL19U2生物小角散射線站提供了測試機(jī)時，李娜研究員為SAXS數(shù)據(jù)采集和分析提供了專業(yè)指導(dǎo)；深圳大學(xué)李霄鵬教授和蘇州大學(xué)張正彪教授在電噴霧質(zhì)譜/大分子質(zhì)譜分析、數(shù)據(jù)討論和論文撰寫方面提供了重要指導(dǎo)。本工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項目、重點(diǎn)項目、創(chuàng)新研究群體項目、區(qū)域創(chuàng)新基金項目，以及科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)專項項目支持。

原文連接：https://www.nature.com/articles/s41557-022-01076-y

(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實驗室、科研部)